Materi Fisika: Fluida

Ketika Anda menyelam ke dalam kolam air dengan posisi semakin ke dalam dari permukaan air kolam, di telinga akan terasa sakit yang semakin bertambah, apa yang menyebabkan ini? Di sisi lain kita bisa berada dalam keadaan melayang atau mengapung dalam air kolam, sedangkan kita mempunyai berat badan bagaimana fenomena itu bisa terjadi? Fenomena di atas diakibatkan oleh gejala fisis yaitu tekanan hidrostatis yang diakibatkan oleh air kolam pada telinga dan gaya berat badan diseimbangkan oleh gaya apung air kolam. Besarnya gaya apung air kolam sama dengan berat air yang dipindahkan oleh badan kita yang tercelup dalam air kolam.

Gambar 1. Peta Konsep Materi Pokok Fluida

Fluida merupakan zat yang tidak mempunyai bentuk dan volume yang permanen, melainkan mengambil bentuk tempat sesuai yang ditempatinya serta memiliki kemampuan untuk mengalir. Dua zat yang umumnya disebut fluida adalah zat cair dan gas. Materi di bab ini pembahasan difokuskan pada fluida zat cair.

FLUIDA STATIS

1.    Tekanan

Tekanan adalah besaran fisika yang merupakan perbandingan antara gaya normal (tegak lurus) yang bekerja pada suatu bidang permukaan dengan luas bidang permukaan tersebut. Rumus tekanan:

                        P = F / A

dengan,

F : gaya (N)

A: luas bidang permukaan, (m²)

Satuan tekanan dalam SI adalah pascal (Pa) atau N/m². 1 Pa = 1 N/m². Beberapa satuan tekanan yang lain yang sering digunakan dalam beberapa keperluan adalah atmosfer (atm), centimeter Hg (cmHg), milibar (mb),dan torr.

1 mb = 10⁵ Pa ; 1 atm = 76 cm Hg = 1,01.10⁵ Pa = 1,01 mb.

1 torr = 1 mmHg

2.    Hukum Pokok Hidrostatika

Tekanan zat cair dalam keadaan tidak mengalir dan hanya disebabkan oleh beratnya sendiri disebut tekanan hidrostatika. Besarnya tekanan hidrostatika suatu titik dalam zat cair yang tidak bergerak adalah:

                        P = 𝜌 x g x h

Keterangan:

𝜌: massa jenis (kg/m³)

g : percepatan gravitasi (m/s²)

h : kedalaman titik dalam zat cair diukur dari permukaan zat cair (m)

3.    Hukum Pascal

Tekanan yang bekerja pada fluida statis dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama rata, hal ini dikenal sebagai prinsip PASCAL. Tinjau sistem kerja penekan hidrolik seperti pada Gambar !

Gambar 2. Sistem Kerja Hidrolik

Apabila dikerjakan tekanan P₁ pada penampang A1 maka tekanan yang sama besar akan diteruskan ke penampang A2 sehingga memenuhi:

P1  = P2

     F1 : A1 = F2 : A2

Contoh alat teknik yang menggunakan sistem prinsip Pascal adalah rem hidrolik dan pengangkat mobil dalam bengkel.

4.    Hukum Archimedes

Di dalam fluida yang diam, suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruh volumenya akan mengalami gaya tekan ke atas (gaya apung) sebesar berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut, yang lazim disebut gaya Archimedes. Prinsip Archimedes yaitu bahwa suatu benda yang seluruhnya atau sebagian tercelup didalam satu fluida akan mendapat gaya apung sebesar dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut. Secara matematis hukum Archimedes diformulasikan:

                        Fa = 𝜌 x g x V

Keterangan:

Fa: Gaya Archimedes (Newton)

            𝜌 : massa jenis fluida (kg/m³)

            g : percepatan gravitasi (m/s²)

            V : volume benda yang tercelup (m³)

Benda yang dimasukkan ke dalam zat cair, akan terjadi tiga kemungkinan keadaan yaitu terapung, melayang dan tenggelam. Ketiga kemungkinan keadaan tersebut terjadi ditentukan oleh perbandingan massa jenis benda dengan massa jenis fluida, syaratnya adalah:

Massa jenis benda < massa jenis zat cair = terapung

Massa jenis benda = massa jenis zat cair = melayang

Massa jenis benda > massa jenis zat cair = tenggelam

TEGANGAN PERMUKAAN DAN VISKOSITAS ZAT CAIR

1.    Tegangan Permukaan Zat Cair dan Kapilaritas

Sering terlihat peristiwa-peristiwa alam yang tidak diperhatikan dengan teliti misalnya tetes-tetes zat cair pada pipa kran yang bukan sebagai suatu aliran, mainan gelembung-gelembung sabun, pisau silet yang diletakkan perlahan-lahan di atas permukaan air yang terapung, naiknya air pada pipa kapiler. Hal tersebut dapat terjadi karena adanya gaya-gaya yang bekerja pada permukaan zat cair atau pada batas antara zat cair dengan benda lain. Fenomena itu dikenal dengan tegangan permukaan. Peristiwa adanya tegangan permukaan bisa pula ditunjukkan pada percobaan sebagai berikut jika cincin kawat yang diberi benang dicelupkan kedalam larutan air sabun, kemudian dikeluarkan akan terjadi selaput sabun dan benang dapat bergerak bebas. Jika selaput sabun yang ada diantara benang dipecahkan, maka benang akan terentang membentuk suatu lingkaran. Jelas bahwa pada benang sekarang bekerja gaya-gaya keluar pada arah radial, gaya per dimensi panjang inilah yang dikenal dengan tegangan permukaan. Dari sini didefinisikan tegangan permukaan (𝛾) adalah hasil bagi gaya permukaan terhadap panjang permukaan dan secara matematis diformulasikan:

                        𝛾 = F/2L

Satuan tegangan permukaan: Newton/meter

Fenomena fisis yang sering ditemui dimana salah satu faktor yang mempengaruhi terjadinya berupa tegangan permukaan adalah gejala kapilaritas. Kapilaritas adalah gejala fisis berupa naik / turunnya zat cair dalam media kapiler (saluran dengan diameter kecil). Besaran lain yang menentukan naik turunnya zat cair pada dinding suatu pipa kapiler selain tegangan permukaan, disebut sudut kontak (𝜃) yaitu sudut yang dibentuk oleh permukaan zat cair yang dekat dinding dengan dinding. Sudut kontak timbul akibat gaya tarik menarik antara zat yang sama (gaya kohesi) dan gaya tarik menarik antara molekul zat yang berbeda (adhesi). Harga dari sudut kontak berubah-ubah dari 0⁰ sampai 180⁰ dan dibagi menjadi 2 bagian yaitu:

-          Meniskus cekung : Bila 0^o < 𝜃 < 90⁰ maka zat cair dikatakan membasahi dinding.

-          Meniskus cembung : Bila 90 < 𝜃 < 1800 zat cair dikatakan tak membasahi dinding.

FLUIDA DINAMIS

1.    Aliran Fluida

Dinamika fluida adalah cabang ilmu yang mempelajari fluida dalam keadaan bergerak. Ini merupakan salah satu cabang yang penting dalam mekanika fluida. Dalam dinamika fluida dibedakan dua macam aliran yaitu aliran fluida yang relatif sederhana yang disebut aliran laminer dan aliran yang komplek yang disebut sebagai aliran turbulen. Bila fluida mempunyai viskositas (kekentalan) maka akan mempunyai aliran fluida yang kecepatannya besar pada bagian tengah pipa dari pada di dekat dinding pipa. Untuk pembahasan disini, pertama dianggap bahwa fluida tidak kental sehingga kecepatan pada semua titik pipa penampang melintang yang juga sama besar.

2.    Persamaan Kontinuitas

Pada Gambar di bawah ini dilukiskan suatu aliran fluida dalam pipa yang mempunyai penampang berbeda.

Gambar 3. Sketsa Pipa dengan Ukuran yang Berbeda

 Jika A₁ adalah luas penampang pada titik 1, dan v₁ kecepatannya, maka dalam t detik, partikel yang berada pada titik 1 akan berpindah sejauh (v₁.t) dan volume fluida yang lewat penampang A₁ adalah (A₁v₁t). Volume fluida yang lewat penampang A₁ persatuan waktu adalah A₁v₁ demikian pula volume fluida yang lewat penampang A₂ per satuan waktu adalah A₂ v₂. Jika fluida bersifat tak kompresibel, maka besarnya volume fluida yang lewat penampang A₁ dan A₂ persatuan waktu adalah sama besar sehingga diperoleh:

A₁ v₁ = A₂ v₂

Besaran Av dinamakan debit (Q) yang mempunyai satuan m³/s. Persamaan tersebut dikenal sebagai persamaan kontinuitas untuk aliran yang mantap dan tak kompresibel. Konsekuensi dari hubungan di atas adalah bahwa kecepatan akan membesar jika luas penampang mengecil demikian juga sebaliknya.

3. Persamaan Bernoulli

Persamaan Bernoulli merupakan persamaan dasar dari dinamika fluida di mana berhubungan dengan tekanan (p), kecepatan aliran (v) dan ketinggian (h), dari suatu pipa yang fluidanya bersifat tak kompresibel dan tak kental, yang mengalir dengan aliran yang tak turbulen. Tinjau aliran fluida pada pipa dengan ketinggian yang berbeda seperti Gambar berikut:

Gambar 4. Sketsa Pipa dengan Ketinggian yang Berbeda

Bagian sebelah kiri pipa mempunyai luas penampang A1 dan sebelah kanan pipa mempunyai luas penampang A2. Fluida mengalir disebabkan oleh perbedaan tekanan yang terjadi padanya. Pada bagian kiri fluida terdorong sepanjang dl1 akibat adanya gaya F1 = A1p1sedangkan pada bagian kanan dalam selang waktu yang sama akan berpindah sepanjang dl2. Sehingga dapat disimpulkan:

                   P +  1/2 𝜌V² + 𝜌gh  = konstan

Persamaan ini dikenal sebagai persamaan Bernoulli.

4. Alat Ukur Venturi

Alat ini dipergunakan untuk mengukur besarnya kecepatan aliran fluida dalam suatu pipa.

Gambar 5. Alat Ukur Venturi

5. Tabung Pitot

Alat ini dipergunakan untuk mengukur kecepatan angin atau aliran gas.

Gambar 6. Tabung Pitot